旋轉(zhuǎn)超聲加工機床的研制及實驗研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)超聲加工是集傳統(tǒng)超聲加工與磨粒磨削加工為一體的復(fù)合加工，是加工硬脆性材料的一種有效方法，具有良好的應(yīng)用前景.然而能過大量文獻(xiàn)的閱讀及實際的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)目前還沒有生產(chǎn)完善的旋轉(zhuǎn)超聲加工機床。本文試圖對旋轉(zhuǎn)超聲加工機床的研制做些工作，設(shè)計、制作出結(jié)構(gòu)合理、易于操作、性能優(yōu)良、生產(chǎn)效率高適宜于孔、面加工的大功率旋轉(zhuǎn)超聲加工機床.在此基礎(chǔ)上開展相關(guān)實驗研究，探索旋轉(zhuǎn)超聲加工在石材加工上的優(yōu)勢及工具磨損實驗研究.論文主要內(nèi)容概括如下：

2、 1.利用通用的電子元器件，設(shè)計適用于本文要求的1000W超聲波電源，根據(jù)不同加工需要，電源應(yīng)具備頻率跟蹤功能、功率可調(diào)及阻抗匹配等特性. 2.依據(jù)一維振動理論模型和機—電等效理論，綜合考慮各環(huán)節(jié)因素，設(shè)計適用于本文需要的三明治式壓　電陶瓷換能器;從換能器諧振工作點附近導(dǎo)納特性出發(fā)，分析和比較了換能器串并聯(lián)匹配的特點和效果用阻抗分析儀對設(shè)計換能器主要參數(shù)進行測試，結(jié)果顯示各項參數(shù)滿足設(shè)計指標(biāo)，諧振頻率偏離設(shè)計值僅0.8％，

3、圓滿完成本文換能器的設(shè)計. 3.采用理論解析法近似求解階梯形變幅桿的尺寸大小.借助ANSYS有限元分析對變幅桿進行了模態(tài)分析，通過對比計算確定了本文設(shè)計變幅桿的最優(yōu)過渡圓弧和變幅桿位移節(jié)面的位置，確立了較為準(zhǔn)確的法蘭盤的加工位置，從而最大可能降低超聲振動系統(tǒng)與機床的連接部分聲耦合以地超聲振動系統(tǒng)的影響.將優(yōu)化設(shè)計的尺寸加工的變幅桿與換能器組裝成整個超聲振子進行阻抗分析，數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化設(shè)計的超聲振子諧振頻率與換以有器諧振頻率相當(dāng)一致

4、，其誤差僅為0.2％。 4.針對目前超聲加工多數(shù)局限于陶瓷材料小孔加工的現(xiàn)狀，選擇典型的石材作炒工件進行包括游離磨料非旋轉(zhuǎn)超聲、游離磨料旋轉(zhuǎn)超聲和固結(jié)磨料旋轉(zhuǎn)超聲大截面加工實驗研究。目前國內(nèi)外從事旋轉(zhuǎn)超聲加工研究所用的工具均為電鍍或者粉末冶金燒結(jié)的金剛石工具，但其磨損大，壽命短。眾所周知，釬焊金剛石工具能在結(jié)合界面上實現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，具有高出露度的特點，可以提供更大的容悄空間，減小加工過程中工磨悄和工件的磨擦。但目前還沒有利用釬

5、焊工具進行旋轉(zhuǎn)超聲加工的報道，而且對于工具端面的形狀對加工過程的影響，也少見報到。為此，從工具材料的選擇，斷續(xù)和連續(xù)環(huán)面工具基體的設(shè)計和優(yōu)化，釬焊金剛石工具的制備等方面開展工作，為實驗的進行做好準(zhǔn)備。 5.在以上工作的基礎(chǔ)上，重點研究旋轉(zhuǎn)超聲機床的設(shè)計。對于其中的關(guān)鍵技術(shù)問題，給予詳細(xì)的分析與設(shè)計。解決了機床高速旋轉(zhuǎn)條件下的電能換向問題;研制了氣動恒力進給工作;通過直流電機和電源的選擇，設(shè)計了符合本機床地求的調(diào)速器，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超　

6、振動系統(tǒng)的高速、平穩(wěn)運轉(zhuǎn)?？紤]操作的便利及安全性，設(shè)計分離的電箱柜。 6.在完成以上各項工作的情況下，對選擇的石材工件進行不同輸入?yún)?shù)下的三種大截面超聲加工實驗，統(tǒng)訐材料去除率的大小，觀察工件加工表面質(zhì)量。通過加工過程中靜壓力及扭矩變化監(jiān)控，和光學(xué)顯微鏡對工件加工形貌和工具磨損的觀察、統(tǒng)訐，可以全面認(rèn)識和分析超聲加工過程，了解各加工參數(shù)對加工過程珠影響，揭示工具磨損的機理。 7.在游離磨料非旋轉(zhuǎn)超聲加工實驗的研究中，對于

7、實驗的工具、工件材料和25μm的超聲振幅辦理入條件下，實驗結(jié)果顯示，靜壓力F0＝60N時，材料的去除率最大。固定靜壓力F0＝60N不變，材料的去除率隨著工具振幅的增大而增大，于此同時，表面粗糙度也使之增加，加工表面質(zhì)量下降。 8.在游離磨料旋轉(zhuǎn)超聲加工中，由于主軸轉(zhuǎn)速的引入，材料的去除率較普通超聲有了大幅度的增加。但是，對于較大截面的游離磨料旋轉(zhuǎn)超　聲加工，主軸的旋轉(zhuǎn)速度不宜過大，否則由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用，會導(dǎo)致加工區(qū)域的磨粒分

8、布不均，影響材料的去除能力。與游磨料非旋連續(xù)轉(zhuǎn)超聲加工不同的是，游離磨料旋轉(zhuǎn)超聲加工中，就工件的振幅對材料的去除率來說，并不是振幅越大越好，而是有個最佳看振幅值，本實驗中振幅為30μm左右。對于扭矩的測量和分析發(fā)現(xiàn)，扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨著振幅的增大而降低。 9.在釬焊金剛石斷續(xù)工具的旋轉(zhuǎn)超聲加工實驗中發(fā)現(xiàn)，材料的去除率隨著主軸旋轉(zhuǎn)速度和振幅的提高，都有了大幅度的增加。同樣條件下，斷續(xù)工具的材料去除能力是連續(xù)工具2.5倍以

9、上，而且其壽命得以大大提高。對于扭矩的測量和分析發(fā)現(xiàn)，斷續(xù)工具加工過程中的扭矩較連續(xù)工具有顯著的降低。 10.在釬焊金剛石的旋轉(zhuǎn)超聲加工中，金剛石磨粒的磨損形式表現(xiàn)為完整、微破、宏破、斷裂和麻平五種形式。對于不同的工具條件，磨粒磨損過程存大很大差異，各種磨損形式的比例有所差異。對于連續(xù)截面工具，加工開始后的一段時間內(nèi)，磨粒以破碎和斷裂形式快速磨損。而斷續(xù)釬焊工具，在超始階段的加工過程很平穩(wěn)，金剛石的磨損緩慢，在加工的后期，工具的